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  • 为了解决机械臂开环控制精度低问题,设计了一套基于STM32微控制器机械臂反馈控制系统。通过QT图形界面将控制数据输入上位机,控制数据经串口传输到微控制器后驱动机械臂运动;由加速度传感器和磁通传感器组成的...
  • 提出了一种基于内容自适应的Web QoS反馈控制系统。首先分析Web QoS的组成及主要保证方法,并研究了队列控制当中的反馈控制机制,实现任务数量的稳定;然后,分析了Web内容自适应的机制与实现,提高了系统的自我调节...
  • 控制策略, 并给出了双线性输出反馈控制系统指数渐近稳定充分条件. 该策略由常规PID 控制器和线性补偿控制 器两部分组成, 在线获取模型偏差信息并进行补偿控制, 控制器结构简单, 具有较好工程意义. 仿真结果...
  • 得到的最优控制律由解析的无时滞前馈2反馈控制部分和伴 随向量序列极限形式的时滞补偿控制部分组成. 通过截取时滞补偿序列的有限项, 得到系统的前馈2反馈次优控制 律. 仿真示例表明, 该方法对外部持续...
  • 在本文中,我们提出了一种视觉引导机器人球束平衡控制系统,该系统由机器人操纵器(致动器),球束系统(工厂)和机器视觉系统(反馈组成。 机器视觉系统以每秒50帧速度反馈实时光束角和球位置数据。 根据反馈...
  • 研究具有外界持续扰动作用下非线性系统的最优控制问题, 提出了一种设计前馈—反馈最优控制器的逐次 逼近算法. 利用该算法可将在扰动作用下的非线性系统的最优控制问题转化为求解线性非齐次两点边值序列的问 ...
  • 研究一类由任意有限多个线性子系统组成的切换系统的H∞ 状态反馈控制问题.利用Lyapunov函数方法,给出由线性矩阵不等式(LMI)表示的控制器存在的充分条件, 并设计了相应的子控制器和切换策略. 最后给出一个数值仿真...
  • 传感器:检测元件,其主要功能是将非电物理量(温度、压力、流量等)转换成电量(电流、电压),送到...反馈通路:信号从输出被控制值Y通过传感器、变送器又回到输入端,而影响到控制输入信号通路。(闭环) ...

    传感器:检测元件,其主要功能是将非电物理量(温度、压力、流量等)转换成电量(电流、电压),送到控制器中。

    变送器:将传感器所转换的电量转化成统一的标准电压、电流再送到控制器中。

     

    正向通路:从输入到输出的信号通路。(开环)

    反馈通路:信号从输出被控制值Y通过传感器、变送器又回到输入端,而影响到控制器的输入的信号通路。(闭环)

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  • 研究一类由任意有限多个时滞奇异子系统组成的切换系统的状态反馈H∞控制问题。利用Lyapunov函数方法和凸组合技术,给出由矩阵不等式表示的控制器存在的充分条件,并设计了相应的子控制器和切换规则。采用变量替代...
  • 伺服系统的组成

    2020-03-24 09:44:26
    其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器,控制器按照控制系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差,调节控制量。 图1伺服驱动器结构 伺服构成要素图 图为半闭环式控制和全闭环式控制...

    伺服系统的组成

    交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成,其结构组成如图1所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器,控制器按照控制系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差,调节控制量。

    图1伺服驱动器结构

    伺服构成要素图
    图为半闭环式控制和全闭环式控制的比较

    伺服控制器内部原理图
    首先功率驱动单元通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流,得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电,再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动交流伺电机

    系统控制结构图
    控制单元是整个交流伺服系统的核心,实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。
    位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小,通过脉冲的个数来确定转动的角度,也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值,由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制,所以一般应用于定位装置。
    转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小,可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小,也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。
    速度模式通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制,在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位,但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。

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    Gamma公式展示 Γ(n)=(n1)!nN\Gamma(n) = (n-1)!\quad\forall n\in\mathbb N 是通过欧拉积分

    Γ(z)=0tz1etdt. \Gamma(z) = \int_0^\infty t^{z-1}e^{-t}dt\,.

    你可以找到更多关于的信息 LaTeX 数学表达式here.

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    Mon 06Mon 13Mon 20已完成 进行中 计划一 计划二 现有任务Adding GANTT diagram functionality to mermaid
    • 关于 甘特图 语法,参考 这儿,

    UML 图表

    可以使用UML图表进行渲染。 Mermaid. 例如下面产生的一个序列图:

    张三李四王五你好!李四, 最近怎么样?你最近怎么样,王五?我很好,谢谢!我很好,谢谢!李四想了很长时间,文字太长了不适合放在一行.打量着王五...很好... 王五, 你怎么样?张三李四王五

    这将产生一个流程图。:

    链接
    长方形
    圆角长方形
    菱形
    • 关于 Mermaid 语法,参考 这儿,

    FLowchart流程图

    我们依旧会支持flowchart的流程图:

    Created with Raphaël 2.2.0开始我的操作确认?结束yesno
    • 关于 Flowchart流程图 语法,参考 这儿.

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    1. mermaid语法说明 ↩︎

    2. 注脚的解释 ↩︎

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  • 研究了一类由任意多个子系统组成的线性切换奇异系统的状态反馈H∞控制问题。采用共同Lyapunov函数方法和凸组合技术,给出由矩阵不等式表示的使闭环系统渐近稳定且满足H∞性能的控制器存在的充分条件, 并设计了相应的...
  • 自动控制系统-第一期

    2020-04-02 18:37:12
    目录第一章 自动控制的一般概念反馈控制系统的组成习题1-2习题1-4自动控制系统的分类1.线性连续控制系统2.线性定常离散控制系统3.非线性控制系统习题1-10典型外作用第二章 控制系统的数学模型控制系统的时域数学模型...

    第一章 自动控制的一般概念

    反馈控制系统的组成

    • 测量元件
        职能:检测被控制的物理量(若该物理量是非电量,一般要转换成为电量)。
        举例:测速发电机用于检测电动机轴的速度并转换为电压;电位器、旋转变压器或自整角机用于检测角度并转换为电压;热电偶用于检测温度并转换为电压等。
    • 给定元件
        职能:给出与期望的被控量相对应的系统输入量。
    • 比较元件
        职能:把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较,求出它们之间的偏差。
        举例:差动放大器,机械差动装置,电桥电路等。
    • 放大元件
        职能:将比较元件给出的偏差信号进行放大,用来推动执行元件去控制被控对象。
        举例:集成电路、晶闸管等组成的电压放大级和功率放大级。
    • 执行元件
        职能:直接推动被控对象,使其被控量发生变化。
        举例:阀,电动机,液压马达等。
    • 校正元件(补偿元件)
        职能:改善系统的性能。
        举例:电阻、电容组成的无源或有源网络。
    • 被控对象
        可能是一个设备,多数由一些零件有机地组合在一起,其作用是完成一种特定的操作
        联系:被控对象的输出量便是系统的输出量,即被控量(一般置于方块图的最右端)
      反馈控制系统基本组成
      反馈系统方框图

    习题1-2

      图1-22是仓库大门自动控制系统原理图。试说明系统自动控制大门开闭的工作原理并画出系统方框图。

      可以先去尝试着分析这个系统是怎么运作的,可以看到,右下角是一个对称的电路(电位器桥式测量电路),当我们合上开门开关时,从开门开关处采集的电压值与从大门位置采集的电压值共同进入放大器,由于电阻分压原理,二者不等,产生偏差电压,经放大器放大后,驱动伺服电动机带动绞盘转动,提起大门,直到与大门相连的电位器电刷与开门开关位置处的电位器电刷水平。

    习题1-4

      图1-24为水温控制系统原理示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热,从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图,并说明为了保持热水温度为期望值,系统是如何工作的?系统的被控对象和控制装置各是什么?

      先分析工作原理,首先,水温控制系统,自然是要求水的温度可控,明确被控量与给定量都应该与温度有关。逐个分析:

    • 温度控制器:通过对蒸汽阀与冷水阀来对温度实现控制,属于控制装置
    • 流量计:根据按流量顺馈(前馈)的提示,流量计应该是测量扰动信号(冷水),送回输入端
    • 温度测量:作为测量元件,反馈温度值给温度控制器
    • 阀门:作为执行元件,直接控制蒸汽进入热交换器的量
    • 热交换器:作为被控对象,其功能是完成热交换,改变水温

      之后,依据反馈系统的基本框图,绘制方框图:

      结论:系统的被控对象是热交换器,被控量是热水温度,控制装置是温度控制器

    自动控制系统的分类

    1.线性连续控制系统

      此类系统可用线性微分方程式描述,一般形式为:
    a0dndtnc(t)+a1dn1dtn1c(t)+...+an1ddtc(t)+anc(t)=b0dmdtmr(t)+b1dm1dtm1r(t)+...+bm1ddtr(t)+bmr(t)a_0\frac{{\rm d}^n}{{\rm d}t^n}c(t)+a_1\frac{{\rm d}^{n-1}}{{\rm d}t^{n-1}}c(t)+...+a_{n-1}\frac{{\rm d}}{{\rm d}t}c(t)+a_nc(t)=b_0\frac{{\rm d}^m}{{\rm d}t^m}r(t)+b_1\frac{{\rm d}^{m-1}}{{\rm d}t^{m-1}}r(t)+...+b_{m-1}\frac{{\rm d}}{{\rm d}t}r(t)+b_mr(t)

    • c(t)c(t):被控量
    • r(t)r(t):系统输入量
    • 时变系统:系数a0,a1,...,an,b0,b1,...,bma_0,a_1,...,a_n,b_0,b_1,...,b_m随时间变化
    • 定常系统:系数$a_0,a_1,…,a_n,b_0,b_1,…,b_m为常数

      线性定常系统还可以根据输入量变化规律分为恒指控制系统,随动系统和程序控制系统(见课本12页)

    2.线性定常离散控制系统

      离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式,因而信号在时间上是离散的。连续信号经过采样开关的采样就可以转换成离散信号。一般,在离散系统中既有连续的模拟信号,也有离散的数字信号。
      因此,离散系统要用差分方程描述,线性差分方程的一般形式为:
    a0c(k+n)+a1c(k+n1)+...+an1c(k+1)+anc(k)=b0r(k+m)+b1r(k+m1)+...+bm1r(k+1)+bmr(k)a_0c(k+n)+a_1c(k+n-1)+...+a_{n-1}c(k+1)+a_nc(k)=b_0r(k+m)+b_1r(k+m-1)+...+b_{m-1}r(k+1)+b_mr(k)

    • m<=nm<=nnn为差分方程的次数
    • a0,a1,...,ana_0,a_1,...,a_nb0,b1,...,bmb_0,b_1,...,b_m为常系数
    • r(k),c(k)r(k),c(k)分别为输入和输出采样序列

    线性系统系统特性:
      满足叠加性和齐次性。
      如果输入r1(t)    r_1(t)\implies输出y1(t)y_1(t),输出r2(t)    r_2(t)\implies输出y2(t)y_2(t)
      则输入ar1(t)+br2(t)    ar_1(t)+br_2(t)\implies输出ay1(t)+by2(t)ay_1(t)+by_2(t)

    3.非线性控制系统

      系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的,这类系统就称为非线性控制系统。这时,要用非线性微分(或差分)方程描述其特性。
      非线性方程的特点:系数与变量有关,或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。

    习题1-10

      下列各式是描述系统的微分方程,其中c(t)c(t)为输出量,r(t)r(t)为输入量,试判断那些是线性定常或时变系统,哪些是非线性系统?
    (1) c(t)=5+r2(t)+td2r(t)dt2c(t)=5+r^2(t)+t\frac{{\rm d}^2r(t)}{{\rm d}t^2\\}
    (2) d3c(t)dt3+3d2c(t)dt2+6dc(t)dt+8c(t)=r(t)\frac{{\rm d}^3c(t)}{{\rm d}t^3}+3\frac{{\rm d}^2c(t)}{{\rm d}t^2}+6\frac{{\rm d}c(t)}{{\rm d}t}+8c(t)=r(t)
    (3) tdc(t)dt+c(t)=r(t)+3dr(t)dtt\frac{{\rm d}c(t)}{{\rm d}t}+c(t)=r(t)+3\frac{{\rm d}r(t)}{{\rm d}t}
    (4) c(t)=r(t)coswt+5c(t)=r(t)coswt+5
    (5) c(t)=3r(t)+6dr(t)dt+5tr(τ)dτc(t)=3r(t)+6\frac{{\rm d}r(t)}{{\rm d}t}+5\int_{-\infty}^tr(\tau){\rm d}\tau
    (6) c(t)=r2(t)c(t)=r^2(t)
    (7) c(t)={0,t<6r(t),t>=6c(t)=\begin{cases}0, & \text{t<6} \\ r(t), & \text{t>=6} \\ \end{cases}

    • 线性定常系统:(2)(5)
    • 线性时变系统:(3)
    • 非线性时变系统:(1)(4)
    • 非线性定常系统:(6)
    • 线性延迟系统:(7)

      (4)还可以用叠加定理验证:
      令c1(t)=r1(t)coswt+5,c2(t)=r2(t)coswt+5c_1(t)=r_1(t)coswt+5,c_2(t)=r_2(t)coswt+5
      若r3(t)=ar1(t)+br2(t),c3(t)=ar1(t)coswt+br2(t)coswt+5r_3(t)=ar_1(t)+br_2(t),可推导c_3(t)=ar_1(t)coswt+br_2(t)coswt+5
      但ac1(t)+bc2(t)=ar1(t)coswt+br2(t)coswt+5(a+b)ac_1(t)+bc_2(t)=ar_1(t)coswt+br_2(t)coswt+5(a+b)
      二者明显不等

    典型外作用

    • 阶跃函数
    • 斜坡函数
    • 脉冲函数
    • 正弦函数

    第二章 控制系统的数学模型

    控制系统的时域数学模型

    控制系统微分方程的建立

    电路知识点回顾

    电容和电感的特性
    • 电容:i(t)=Cdudt,u(t)=u(0)+1C0tidτi(t)=C\frac{{\rm d}u}{{\rm d}t},u(t)=u(0)+\frac{1}{C}\int_0^ti{\rm d}\tau
    • 电感:u=Ldidt,i(t)=i(0)+1L0tudτu=L\frac{{\rm d}i}{{\rm d}t},i(t)=i(0)+\frac{1}{L}\int_0^tu{\rm d}\tau

    基尔霍夫定律
    • 假定方向:
    • KCL:假定离开结点取"++",进入结点取"-"。
    • KVL:假定回路绕行方向(顺、逆时针),回路内的电压的参考分析与回路方向一致取"++",否则取"-"

    大物知识点回顾

    力矩
    • 定义:力对某点O的力矩等于力的作用点的矢径r\vec{r}与力F\vec{F}的矢量积
      M=r×F\vec{M}=\vec{r}\times\vec{F}
    角动量
    • 定义:质点对选取的参考点的角动量等于其矢径r\vec{r}与其栋梁mvm\vec{v}的矢量积
      L=r×mv=r×p\vec{L}=\vec{r}\times m\vec{v}=\vec{r}\times\vec{p}
    角动量与转动惯量的关系

    L=JwL=Jw

    角动量定理

    M=dLdt\vec{M}=\frac{{\rm d}\vec{L}}{{\rm d}t}

    线性微分方程的求解

    拉普拉斯知识点回顾

    常用拉氏变换
    • u(t)    1su(t)\iff\frac{1}{s}
    • δ(tt0)    est0,t0=1,δ(t)    1\delta(t-t_0)\iff e^{-st_0},t_0=1时,\delta(t)\iff1
    • eatu(t)    1s+ae^{-at}u(t)\iff\frac{1}{s+a}
    • tu(t)    1s2tu(t)\iff\frac{1}{s^2}
    拉氏变换的性质
    • 线性关系:L[f1(t)+f2(t)]=F1(s)+F2(s)L[f_1(t)+f_2(t)]=F_1(s)+F_2(s)
    • 微分性:L[fn(t)]=snF(s)sn1f(0)...sfn2(0)fn1(0)L[f^{n}(t)]=s^nF(s)-s^{n-1}f(0)-...-sf^{n-2}(0)-f^{n-1}(0)
    • 积分性:L[0tf(τ)dτ]=F(s)sL[\int_0^tf(\tau){\rm d}\tau]=\frac{F(s)}{s}
    • 时移定理:L[f(ta)u(ta)]=easF(s)(a0)L[f(t-a)u(t-a)]=e^{-as}F(s)(a\geq0)
    • 频移定理:L[eatf(t)]=F(sa)L[e^{at}f(t)]=F(s-a)
    • 相似性:L[f(at)]=1aF(sa)L[f(at)]=\frac{1}{a}F(\frac{s}{a})
    部分分式展开法

      单根:如果分母多项式有n个单根,分别是p1,p2,...,pnp_1,p_2,...,p_n
      对于F(s)=N(s)D(s)=a0sm+a1sm1+...+amb0sn+b1sn1+...+bnF(s)=\frac{N(s)}{D(s)}=\frac{a_0s^m+a_1s^{m-1}+...+a_m}{b_0s^n+b_1s^{n-1}+...+b_n}
      可以展开为:F(s)=K1sp1+K2sp2++KnspnF(s)=\frac{K_1}{s-p_1}+\frac{K_2}{s-p_2}+。。。+\frac{K_n}{s-p_n}
    Ki=[(spi)F(s)]s=piK_i=[(s-p_i)F(s)]_{s=p_i}
      共轭复根:略
      重根:略

    控制系统的复数域数学模型

    传递函数

    • 定义:线性定常系统的传递函数,定义为零初始条件下,系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比
      G(s)=C(s)R(s)=b0sm+b1sm1+...+bm1s+bma0sn+a1sn1+...+an1s+anG(s)=\frac{C(s)}{R(s)}=\frac{b_0s^m+b_1s^{m-1}+...+b_{m-1}s+b_m}{a_0s^n+a_1s^{n-1}+...+a_{n-1}s+a_n}
    • 性质:
    • mnm\leq n,所有系数均为实数
    • 传递函数只取决于系统或元件的构造和参数,与输入量无关
    • 传递函数与微分方程具有相通性

      例:G(s)=b1s+b2a0s2+a1s+a2G(s)=\frac{b_1s+b_2}{a_0s^2+a_1s+a^2}
    由传递函数可得s的代数方程(a0s2+a1s+a2)C(s)=(b1s+b2)R(s)(a_0s^2+a_1s+a_2)C(s)=(b_1s+b_2)R(s),在零初始条件下,用微分算符ddt\frac{{\rm d}}{{\rm d}t}置换s,得到相应的微分方程
    a0d2dt2c(t)+a1ddtc(t)+a2c(t)=b1ddtr(t)+b2r(t)a_0\frac{{\rm d}^2}{{\rm d}t^2}c(t)+a_1\frac{{\rm d}}{{\rm d}t}c(t)+a_2c(t)=b_1\frac{{\rm d}}{{\rm d}t}r(t)+b_2r(t)

    • 传递函数G(s)G(s)的拉式反变换是脉冲响应g(t)g(t)
    • 零初始条件含义:输入量及其各阶导数以及输出量及其各阶导数在t=0t=0_-时,均为0

    传递函数解题:对于初态不为0的情况,先用交叉相乘法还原为微分方程,再用拉氏变换法求解;对于初态为0的情况,直接求解

    习题2-3

      试证明图2-49(a)的电网络与图2-49(b)的机械系统有相同的数学模型

      首先,写出左图的传递函数。
      回顾知识点:复频域中的电路定律与电路模型(运算电路)

      转换为复频域模型:直接列写传递函数方程

      其次,再来看右图,首先,我们要明确阻尼器的运动机理。
      阻尼器:产生摩擦力,大小与速度成正比,方向与运动方向相反。


      观察等式,对于系统上部而言,上部产生了向下的位移,我们假设是由一个向下的力造成的,则第一个等式的左半部分,便是与这个力相平衡的力,由于力具有相互作用性,等式左端的力会给系统中间部分产生一个向下的反作用力,使得中间部分向下移动,此时,下边的阻尼器为保持平衡,产生向上的力与之平衡。同理,下面的阻尼器也会产生反作用力作用与最下面的弹簧,也就是第二个等式。

      我们将二者的传递函数抽离出来:
    Ga(s)=R1R2C1C2s2+(R1C1+R2C2)s+1R1R2C1C2s2+(R1C1+R2C2+R1C2)s+1G_a(s)=\frac{R_1R_2C_1C_2s^2+(R_1C_1+R_2C_2)s+1}{R_1R_2C_1C_2s^2+(R_1C_1+R_2C_2+R_1C_2)s+1}
    Gb(s)=f1f2K1K2s2+(f1K1+f2K2)s+1f1f2K1K2s2+(f1K1+f2K2+f1K2)s+1G_b(s)=\frac{\cfrac{f_1f_2}{K_1K_2}s^2+(\cfrac{f_1}{K_1}+\cfrac{f_2}{K_2})s+1}{\cfrac{f_1f_2}{K_1K_2}s^2+(\cfrac{f_1}{K_1}+\cfrac{f_2}{K_2}+\cfrac{f_1}{K_2})s+1}
      可以看到,二者的微分方程模型阶次相同。而且如果选择适当的参数之后:R1=f1,R2=f2,C1=1K1=1,C2=1K2=1R_1=f_1,R_2=f_2,C_1=\cfrac{1}{K_1}=1,C_2=\cfrac{1}{K_2}=1。当两系统的输入按照相同的规律变化时,两系统的输出相应曲线也相同。
      满足上述条件的系统被称为相似系统(即本题中的相同数学模型),需要注意的是仅仅满足阶次相同是不够的,只有当令微分方程对应的系数相等,能够求解出适当的系统参数时,才可以称作相似系统。

    零点与极点

    典型元部件的传递函数

    控制系统的结构图与信号流图

    展开全文
  • 作为电子设备和系统一种自动调节电路,反馈控制电路主要作用就是当电子系统受到某种扰动情况下,系统能通过自身反馈控制电路调节作用,对系统某些参数加以修正,从而使系统各项指标仍然达到预定精度。反馈控制...
  • 1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。 2、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。 3、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。 4、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能...
  • —— 伺服系统 伺服系统(servomechanism)指经由闭环控制方式达到对一个机械系统的位置、速度和加速度的...控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭环控制如转矩控制、速度控制、位置控制等,伺服驱动器通常包括控制...

    部分内容引自《变频器与步进/伺服驱动技术完全精通教程》——伺服系统及原理
    此外还参考了一些伺服品牌的使用手册。

    原名:伺服系统组成:伺服电机及伺服驱动器概述与控制原理(三环控制)

    ——

    伺服(Servo)意味着“伺候”和“服从”。

    伺服系统既可以是开环控制方式,也可以是闭环控制方式。本文按后者叙述

    1伺服系统简述

    伺服系统(servomechanism)指经由闭环控制方式达到对一个机械系统的位置、速度和加速度的控制。

    一个伺服系统的构成包括被控对象、执行器和控制器(负载、伺服电动机和功率放大器、控制器和反馈装置)。

    1. 执行器的功能在于提供被控对象的动力,其构成主要包括伺服电动机和功率放大器,伺服电动机包括反馈装置如光电编码器、旋转编码器或光栅等(位置传感器)。
    2. 控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭环控制如转矩控制、速度控制、位置控制等,伺服驱动器通常包括控制器和功率放大器。
      反馈装置除了位置传感器,可能还需要电压、电流和速度传感器。

    下图为一般工业用伺服系统的组成框图,其中红色为伺服驱动器组成部分,黄色为伺服电机组成部分
    在这里插入图片描述

    “伺服”——词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当成一个得心应手的驯服工具,服从控制信号的要求而动作:在讯号来到之前,转子静止不动;讯号来到之后,转子立即转动;当讯号消失,转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能,因此而得名——伺服系统。

    关于运动控制

    运动控制(Motion Control,MC)起源于早期的伺服控制。简单地说,运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理,使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。

    2常用参数

    2.1伺服电机铭牌参数

    1. 法兰尺寸
    2. 电机极对数
    3. 电机额定输出功率
    4. 电源电压规格:单相/三相
    5. 电机惯量:分为大、中、小惯量,指的是转子本身的惯量,从响应角度来讲,电机的转子惯量应小为好;从负载角度来看,电机的转自惯量越大越好
    6. 电机出轴类型:键槽、扁平轴、光轴、减速机适配…
    7. 电机动力线定义:U: RED V:BLACK W: WHITE
    8. 额定转速
    9. 编码器线数:2500/1250/1000/17B/20B

    法兰是轴与轴之间相互连接的零件,用于管端之间的连接。

    2.2伺服驱动器铭牌参数

    1. 额定输出功率
    2. 电源电压规格
    3. 编码器线数

    2.3伺服系统的性能指标

    1. 检测误差:包括给定位置传感器和反馈位置传感器的误差,传感器本身固有,无法克服;
    2. 系统误差:系统类型决定了系统误差。
      只要p+q>0,对阶跃输入信号就有足够的跟踪能力;对于速度输入信号,I型系统跟踪能力大幅削弱,跟随误差与开环传递函数的比例系数成反比,II型仍具有优良跟踪能力;对于加速度输入信号,仅II型系统能勉强跟随。

    3伺服电机相关

    3.1伺服电机的选型

    1. 系统精度:需综合考虑转子转动惯量、电动机类型、转矩抖动等
    2. 电动机功率:负载方式及大小计算输出力矩
    3. 电动转速
    4. 选配刹车:刹车用来在电机停止时候锁定位置,不让电机由于外力作用发生运动;并非在运行时刹车。
    5. 过载能力

    常见国产品牌:安川、台达、研控、杰美康

    3.2伺服电机的反馈装置

    交流伺服电动机的运行需要角度位置传感器,以确定各个时刻转子磁极相对于定子绕组转过的角度,从而控制电动机的运行。
    光电编码器在交流伺服电动机控制中起了三个方面的作用:

    1. 提供电动机定、转子之间相互位置的数据
    2. 通过角编码器测速,提供速度反馈信号
    3. 提供传动系统角位移信号,作为位置反馈信号

    伺服系统常用的检测元件以光电编码器最为常见。
    在这里插入图片描述
    编码器(encoder)是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。
    根据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
    增量式:每转过单位的角度就发出一个脉冲信号
    绝对式:就是对应一圈,运动部件的每一运动位置都有一个对应的编码,常以多位二进制码来表示,通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量;即使断电之后再重新上电,也能读出当前位置的绝对编码数据(记忆功能)。
    注意:单圈绝对值编码器断电后电机移动超过半圈后会导致位置丢失;多圈绝对值编码器断电后电机移动超过2048圈后会导致位置丢失。

    编码器和电流环没有任何联系,它的采样来自于电机的转动。

    编码器线数:即增量式码盘刻线数,其值等于编码器一转所发出的脉冲数,例如2500线表示转一圈需要发送2500个脉冲。这说明伺服电机转一圈所需脉冲数是固定的,且与电机自带编码器参数相关。
    严格来讲,伺服电机一转所需上位机发送脉冲数与编码器线数和电子齿轮比有关。
    编码器位数:其概念来源于绝对式编码器,例如17位(17B)、20位(20B)等,其数值含义见下:
    在这里插入图片描述
    摘自台达PPT,千万注意160000p/r和2^17之间的区别,依据型号不同,一圈所需脉冲数可能为前者,也可能是后者。

    p/s or pps : pluse per second 秒脉冲
    p/r or ppr : pulse per revolution 每转所需脉冲数

    编码器的ABZ相:A相、B相、Z相旋转输出脉冲电压,三相脉冲各自独立,A相和B相脉冲量相等,但是A相和B相之间存在一个90°(电气角的一周期为360°)的电气角相位差,可以根据这个相位差来判断编码器旋转的方向是正转还是反转,正转时,A相超前B相90°先进行相位输出,反转时,B相超前A相90°先进行相位输出。Z相为一圈一个脉冲电压。
    编码器线制:是与编码器线数完全不同的概念,指编码器接线数,如下图为5线制编码器接线图:
    在这里插入图片描述

    倍频

    增量式编码器相关
    方波输出的有两种,单相编码器输出一相脉冲,正交编码器输出两相相位相差90度的脉冲(在0度、90度、180度、270度相位角,这四个位置有上升沿和下降沿)。
    编码器计数的时候可以只记上升沿(无倍频),单相脉冲记上升沿和下降沿(2倍频);正交脉冲记所有上升沿就是2倍频,记所有上升和下降沿就是4倍频(方波最多只能做到4倍频)。
    以正交编码器为例,4倍频的意义在于在1/4T方波周期就可以有方向变化的判断,这样1/4的T周期就是最小测量步距,通过电路对于这些上升沿与下降沿的判断,可以4倍于PPR读取位移的变化,这就是方波的四倍频。这种判断,也可以用逻辑来做,0代表低,1代表高,A/B两相在一个周期内变化是0 0,0 1,1 1,1 0 。这种判断不仅可以4倍频,还可以判断移动方向。
    在这里插入图片描述

    举例:如果电机装了一个2500线编码器,则在不倍频的情况下,电机每转一圈可输出2500个脉冲;如果经过4倍频电路处理,则可以得到一圈10000个脉冲的输出,电机一圈为360°,所以每个脉冲代表的位置为360°/10000,相比360°/2500, 分辨率提高4倍。
    在这里插入图片描述

    绝对式码盘在任意位置都可给出与位置相对应的数字转角输出量,不存在四倍频的问题。

    3.3名词解释

    电机刚性与惯量

    电机刚性(与柔性相对)就是电机轴抗外界力矩干扰的能力,与响应速度有关,刚性越高其响应速度也越高,但是过高容易让电机产生机械共振(抖动,可听到共振音);若系统刚性不足,在定位命令结束后,即使电机本身已经接近静止,机械传动端仍会出现持续摆动。
    在伺服应用中,用联轴器来连接电机和负载,就是刚性连接;而用同步带或者皮带来连接电机和负载,就是柔性连接

    响应时间
    电气系统的响应时间,即给定一个位置、速度、转矩指令,到电机运行至该位置、速度、转矩的时间。
    对响应速度和刚性关系的具体解释
    在位置模式下,用力让电机偏转,如果伺服系统的响应速度够快,当伺服系统刚刚检测到偏差就立即输出一个较大的反向力,则电机偏转角度较小,说明伺服系统刚性较强。

    电机惯量指的是转子本身的惯量(即转动惯量,只跟转动半径和物体质量有关),分为大、中、小惯量,从响应角度来讲,电机的转子惯量应小为好;从负载角度来看,电机的转子惯量越大越好。
    负载惯量由工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到马达轴上的惯量组成,一般负载惯量超过电机转子惯量的10倍,可以认为惯量较大,负载惯量需为电机惯量的 100 倍以下。

    导轨和丝杠的转动惯量对伺服电机传动系统的刚性影响很大,固定增益下,负载的转动惯量越大,刚性越大,越易引起机械共振;为了使电机不抖动,需要做到惯量匹配,即设置合适的负载惯量比。一般是要调控制器增益改变系统响应,进而达到惯量匹配;也可以选用刚性较高的机台以避免机械共振(机台具有的容许响应频率)。

    如何理解伺服电机的刚性和惯量?
    浅谈刚性、惯量、响应时间及伺服增益调整之间的关系

    转动惯量与转矩的关系

    计算负载惯量的目的就是为计算加/减速转矩。
    任何旋转物体均有惯量存在,惯量大小直接反应旋转时加/减速所需转矩大小及时间长短。因此选用电机时必须计算出电机的负载惯量,才能据此选择所需电机的规格。如若选定的电机无法在希望的加速时间到达预定转速,必定是电机输出转矩不符合负载的需求,须加大电机的输出转矩。

    关于力矩、转矩和扭矩

    1. 力矩:力对刚体转动的影响,不仅与力的大小和方向有关,还与力相对于转矩的位置有关,为了描述力对刚体转动的作用,需要引入力对转轴的力矩这一新的物理量。
    2. 转矩:转矩即转动力矩,一般指旋转的物体所受到的力矩。
    3. 扭矩:任何元件在转矩的作用下,必定产生某种程度的扭转变形,因此习惯上又常把转动力矩叫扭转力矩,简称扭矩。

    脉冲当量

    脉冲当量是指控制器输出一个定位控制脉冲时,所产生的定位控制移动的位移。即单位脉冲的位移。线性运动是指距离,圆周运动是指角度。脉冲当量越小,定位控制的分辨率越高,加工精度也越高。所有的定位控制位移量以脉冲量为单位计算脉冲数。

    电子齿轮

    电子齿轮:简单地说就是用电气控制技术代替机械传动机构。一般来说,电机与驱动机构是直连的,机械结构固定后,传动比也就固定了;利用电子齿轮可以增加传动系统的柔性,提高传动精度。
    电子齿轮比电机编码器接收脉冲与上位机发送脉冲之比,可在驱动器或者控制器上设置。由此可知:
    在这里插入图片描述

    例:车床用 10mm 丝杠,电机转动一圈机械移动 10mm,每移动 0.001mm 就需要电机旋转 1/10000 圈(0.001/10),而如果连接 5mm 丝杠(即电机转动一圈机械移动 5mm),且直径编程的话,每 0.001 的位移量就需要 1/5000 转,这是可以用电子齿轮设置,就可以保持脉冲当量不变。

    详见:电子齿轮比计算方法

    4伺服驱动器控制原理

    运动伺服一般都是三环控制系统,从内到外依次是电流环、速度环和位置环。电流环反应速度最快,速度环的反应速度必须高于位置环,否则将会造成电机运转的震动或反映不良。伺服驱动器的设计可尽量确保电流环具备良好的反应性能,故用户只需调整位置环、速度环的增益即可。

    伺服的控制方式有3种,分别是位置控制、速度控制和转矩控制。

    1、转矩控制(电流环/单环 控制):转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小,也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。主要应用于需要严格控制转矩的场合,在转矩模式下驱动器的运算最小,动态响应最快。
    单环控制难以满足伺服系统的动态要求,一般不采用。

    2、速度控制(速度环、电流环/双环 控制):通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制。速度控制包含了速度环和电流环。任何模式都必须使用电流环,电流环是控制的跟本。
      
    3、位置控制(三环控制):伺服中最常用的控制。位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小,通过脉冲的个数来确定转动的角度(类似步进电机),也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值(外部模拟量的输入)。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制,所以一般应用于定位装置。
    位置控制模式下系统进行了所有 3 个环的运算,此时的系统运算量最大,动态响应速度也最慢。

    转矩控制:是指伺服驱动器仅对电机的转矩进行控制
    速度控制:是指驱动器仅对电机的转速和转矩进行控制
    位置控制:是指驱动器对电机的转速、转角和转矩进行控制

    在这里插入图片描述
    APR——位置调节器; ASR——速度调节器; ACR——电流调节器

    http://www.elecfans.com/kongzhijishu/sifuyukongzhi/522696.html 伺服驱动器的工作原理及其控制方式

    三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。

    第一环为电流环,最内环,此环完全在伺服驱动器内部进行,其PID常数已被设定,无需更改。电流环的输入是速度环PID调节后的输出,电流环的输出就是电机的每相的相电流。**电流环的功能为对输入值和电流环反馈值的差值进行PD/PID调节。**电流环的反馈来自于驱动器内部每相的霍尔元件。电流闭环控制可以抑制起、制动电流,加速电流的响应过程。

    第二环为速度环,中环。速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值。**电流环的功能为对输入值和速度环反馈值的差值进行PI调节。**速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”的计算后得到的。

    第三环为位置环,最外环。位置环的输入就是外部的脉冲。**位置环的功能为对输入值和位置环反馈值的差值进行P调节。**位置环的反馈来自于编码器反馈的脉冲信号经过“偏差计数器”的计算后得到的。位置调节器APR其输出限幅值是电流的最大值,决定着电动机的最高转速。

    位置环、速度环的参数调节没有什么固定的数值,由很多因素决定。
    在这里插入图片描述

    多环控制系统调节器的设计方法是从内环到外环,逐个设计各环调节器,使每个控制环都是稳定的,从而保证整个控制系统的稳定性;每个环节都有自己的控制对象,分工明确,易于调整。这种设计的缺点在于对最外环控制作用的响应不会很快。

    https://blog.csdn.net/reasonyuanrobot/article/details/96497025?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1 伺服电机三环(电流环、速度环、位置环)控制原理及参数调节

    https://www.sohu.com/a/159764872_463998 伺服电机三环控制系统调节方法浅谈

    2.3伺服系统的增益参数

    新修改
    动增益参数调整
    关于位置或速度响应频率的选择必须由机台的刚性及应用的场合来决定,一般而言,高频度定位的机台或要求精密加工的机台需要设定较高的响应频率,但设定较高的响应频率容易引发机台的共振,因此有高响应需求的场合需要刚性较高的机台以避免机械共振。在未知机台的容许响应频率时,可逐步加大增益设定以提高响应频率直到共振音产生时,再调低增益设定值。

    1. 位置控制增益(KPP)
      本参数决定位置回路的应答性,KPP 值设定越大位置回路响应频率越高,对于位置命
      令的追随性越佳,位置误差量越小,定位整定时间越短,但是过大的设定会造成机台
      产生抖动或定位会有过冲(Overshoot)的现象。

    2. 速度控制增益(KVP)
      本参数决定速度控制回路的应答性,KVP 设越大速度回路响应频率越高,对于速度命
      令的追随性越佳,但是过大的设定容易引发机械共振。
      速度回路的响应频率必须比位置回路的响应频率高 4~6 倍,当位置响应频率比速度响应频率高时,机台会产生抖动
      或定位会有过冲(Overshoot)的现象。

    3. 速度积分补偿(KVI)
      KVI 越大对固定偏差消除能力越佳,过大的设定容易引发机台的抖动。

    4. 共振抑制低通滤波器(NLP)
      负载惯性比越大,速度回路的响应频率会下降,必须加大 KVP 以维持速度的响应频率,
      在加大 KVP 的过程,可能产生机械共振音,请尝试利用本参数将噪音消除。越大的
      设定对高频噪音的改善越明显,但是过大的设定会导致速度回路不稳定及过冲的现象

    5. 外部干扰抵抗增益(DST)
      本参数用来增加对外力的抵抗能力,并降低加减速的过冲现象。

    6. 位置前馈增益(PFG)
      可降低位置误差量并缩短定位的整定时间,但过大的设定容易造成定位过冲的现象。

    原博文
    按照设备需求选择,选择好合适的控制模式后,需要对伺服增益参数进行合理的调整。使得伺服驱动器能快速、准确的驱动电机,最大限度发挥机械性能。伺服增益通过多个参数进行调整,它们之间会相互影响。

    1. 位置比例增益:设置值越大,增益越高,刚度越大,相同频率指令脉冲条件下,位置滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调;
    2. 位置前馈增益:位置环的前馈增益大,控制系统的高速响应特性提高,但会使系统的位置不稳定,容易产生振荡;
    3. 速度比例增益:设置值越大,增益越高,刚度越大,相同频率指令脉冲条件下,速度滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调;
    4. 速度积分时间常数:设置值越小,积分速度越快。
    5. 速度反馈滤波因子:数值越大,截止频率越低,电机产生的噪音越小;数值越小,截止频率越高,速度反馈响应越快。
    6. 最大输出转矩设置

    5 伺服系统的设计

    根据伺服电动机的种类,伺服系统可分为直流和交流两大类。采用电流闭环控制后,二者具有相同的控制对象数学模型。因此可用相同的方法设计交流或直流伺服系统

    对于闭环伺服控制系统,常用串联校正或并联校正方式进行动态性能的调节。校正装置串联配置在前向通道的校正方式称为串联校正,一般把串联校正单元称作调节器,所以又称调节器校正;若校正装置与前向通道并行,称为并联校正

    调节器校正

    常用的调节器有PD调节器、PI调节器和PID调节器。设计中根据实际伺服系统的特征进行选择。

    6系统接线及面板设置

    伺服电机及其控制原理——3.4伺服控制器常用设置应用

    附录1 伺服电动机与其它电动机的辨析

    伺服电动机与普通电动机的区别

    1. 普通电动机(有刷)多运行于开环控制,伺服电动机运行于闭环控制。
    2. 伺服电动机动态性高
    3. 伺服电动机启动转矩大、调速范围宽
    4. 伺服电动机结构紧凑
    5. 伺服电动机定子散热方便

    伺服电动机与舵机的区别

    舵机相当于简化版的完整的伺服系统。
    伺服电机都是三环控制,即电流环、速度环、位置环;舵机只检测位置环(一般用电位器)。

    伺服电动机与步进电动机的区别

    1. 步进电机多运行于开环控制,伺服电动机运行于闭环控制。(使用步进电机的场合,要么不需要位置反馈,要么在其他设备上进行位置反馈)
    2. 伺服电机控制精度和定位高于步进电机
    3. 伺服电机低频特性好,过载能力大,响应时间短
    4. 伺服电机调速范围大于步进电动机
    5. 步进电机只能接受脉冲信号,二私服电动机可以接受模拟信号、脉冲信号和总线通信信号

    伺服电机和步进电机常被搞混,二者外形相似,区别点在于伺服电机尾部的反馈装置;此外步进电机一般都是一个引出线端,伺服电机由于带编码器所以有2个引线输出端(编码线和动力线)。
    在这里插入图片描述
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  • 半导体激光器自动功率控制是解决激光器阈值漂移重要手段,本文设计了一个基于FPGA数字激光自动功率控制系统,该控制系统主要由光电检测、A/D转换、SOC控制、APC判定、PWM反馈输出及低通滤波几个部分组成。...
  • 该控制律由解析的前馈-反馈控制律和补偿序列的极限组成.通过截取补偿序列的有限项, 得到了系统的前馈-反馈次优减振控制律.仿真结果表明,该方法对抑制正弦扰动的鲁棒性优于经典反馈最优控制.</p>
  • 它由一个在隐藏层中具有不超过三个神经节点神经网络组成,并且在一个隐藏层中分别包含一个激活反馈和一个输出反馈。 这种特殊结构使神经网络控制外部功能能够根据需要成为P,PI,PD或PID控制器。 选择直接...
  • 本文提出了一种用于三液罐系统的液位跟踪控制器,该液位跟踪控制器由前馈控制器和反馈控制组成。 首先,验证了三罐系统的扁平特性,并相应设计了前馈控制器,以跟踪理想轨迹。 其次,为了消除模型不确定性或未知...
  • 在加载控制系统中,由上横梁7、四根立柱4和工作平台1组成门式框架。活动横梁5由滚珠丝杠3驱动。试样2安装于活动横梁与工作平台之间。操纵速度控制单元使其发出指令,伺服电动机15便驱动齿轮箱16带动滚珠丝杠转动;...
  • 2.熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。 3.掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。 实验二 双闭环可逆直流脉宽调速系统 一.实验目的 1.掌握双闭环可逆直流脉宽调速系统的组成、原理及各主要...
  • 数据采集和控制系统是对生产过程或科学实验中各种物理量进行实时采集、测试和反馈控制的闭环系统。它在工业控制、军事电子设备、医学监护等许多领域发挥着重要作用。...系统的组成框图如图所示,其功能如下:  

空空如也

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反馈控制系统的组成